物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在化工企業(yè)的應(yīng)用研究

Research on Application of IOT Technology in Chemical Enterprises

薛凌燕　李樹榜

(聊城大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，山東 聊城　252000)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在化工企業(yè)的應(yīng)用研究

Research on Application of IOT Technology in Chemical Enterprises

薛凌燕李樹榜

(聊城大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，山東 聊城252000)

摘要：針對(duì)化工產(chǎn)品的特殊性，采用射頻識(shí)別技術(shù)建立控制系統(tǒng)，用于對(duì)?；愤\(yùn)輸車輛和產(chǎn)品倉儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?？紤]化工生產(chǎn)中安全的重要性，針對(duì)各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)不及時(shí)、不能實(shí)時(shí)報(bào)警的問題，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升企業(yè)的自動(dòng)化管理水平，從而使整個(gè)化工企業(yè)成為集安全、生產(chǎn)、監(jiān)測(cè)、預(yù)警于一體的綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使企業(yè)生產(chǎn)安全性更高，企業(yè)管理更加省時(shí)省力，更加智能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別化工傳感器監(jiān)測(cè)預(yù)警

Abstract：In view of the particularity of chemical products, the control system is established by adopting radio frequency identification (RFID) technology, to implement real time monitoring for transportation vehicles and warehousing of the hazardous chemicals. Considering the importance of safety in chemical production, and aiming at the problems of various productive parameters have not been monitored timely, and on time alarm cannot be provided, the monitoring system based on IOT is built to achieve real time monitoring and warning. The level of automated management for the enterprise is enhanced by adopting IOT technology; thus the entire chemical enterprise becomes a comprehensive network management system which integrates safety production, monitoring and warning. Applications of the IOT technology make the safety of enterprise production higher; and the management of enterprise more intelligent and time saving.

Keywords：Internet of thingsRFIDChemical industrySensorMonitoring and warning

0引言

化工企業(yè)的生產(chǎn)過程具有易燃、易爆、有毒、腐蝕性強(qiáng)、高溫高壓操作等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。此外，化工企業(yè)的生產(chǎn)原料和產(chǎn)品的運(yùn)輸、儲(chǔ)存對(duì)環(huán)境要求較高。如果發(fā)生泄漏，將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前在化工企業(yè)中，常規(guī)的對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行檢測(cè)的方法是通過攜帶便攜式的危險(xiǎn)氣體或廢水探測(cè)儀進(jìn)行實(shí)地采樣和檢測(cè)[2]。這種方法需要通過人工來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，實(shí)時(shí)性也不能保證。同時(shí)，一些生產(chǎn)環(huán)節(jié)及管理模式還需要依靠操作人員和管理人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來進(jìn)行。這種依靠經(jīng)驗(yàn)的操作管理方式受到工作人員的能力、素質(zhì)和專業(yè)知識(shí)等的影響，其優(yōu)化控制性能也因人而異，并且差別很大[3]。此外，許多化工企業(yè)的安全預(yù)警機(jī)制薄弱，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患，關(guān)系到企業(yè)、國家的經(jīng)濟(jì)利益，乃至工人的人身安全，成為亟待解決的問題。

1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)裝置、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)[4-5]。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層面。圍繞這三個(gè)層面，物聯(lián)網(wǎng)有三大技術(shù)體系：感知技術(shù)、通信組網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用服務(wù)技術(shù)。感知層通過RFID標(biāo)簽、傳感器和攝像頭等數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)信息的共享和存儲(chǔ)等功能。其中云計(jì)算技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，完成海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析功能。最后結(jié)合生產(chǎn)生活的實(shí)際需要，構(gòu)建智能化的行業(yè)應(yīng)用。

2物聯(lián)網(wǎng)在化工企業(yè)的應(yīng)用研究

2.1　化工產(chǎn)品智能倉儲(chǔ)和運(yùn)輸

化工企業(yè)的原材料和成品由于其特殊性，因此對(duì)其運(yùn)輸和倉儲(chǔ)的要求都很高。在運(yùn)輸過程中一旦發(fā)生泄漏，就有可能對(duì)公共環(huán)境造成很大危害，甚至爆炸、造成人員傷亡?；ぎa(chǎn)品對(duì)存儲(chǔ)倉庫的要求也很高，溫度、濕度、周圍環(huán)境等因素都有可能引發(fā)危險(xiǎn)，因此對(duì)?；返倪\(yùn)輸車輛和倉儲(chǔ)環(huán)境實(shí)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)控是十分必要的。

射頻識(shí)別技術(shù)主要是利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，自動(dòng)識(shí)別并交換數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，非常適合危化品運(yùn)輸車輛和產(chǎn)品倉儲(chǔ)的監(jiān)控。

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給每輛運(yùn)輸?；返能囕v貼上RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽中存儲(chǔ)有車號(hào)、產(chǎn)品名、產(chǎn)品數(shù)量、批次、生產(chǎn)部門及車輛的始發(fā)地、終點(diǎn)等內(nèi)容，依托GPS技術(shù)對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位與跟蹤，同時(shí)，進(jìn)一步地可在應(yīng)用層設(shè)立邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)預(yù)警、自動(dòng)分析的智能化應(yīng)用。對(duì)于完成運(yùn)輸任務(wù)的交通工具，系統(tǒng)自動(dòng)判斷下列狀態(tài)：是否具備入網(wǎng)條件，是否能夠接收GPS信息，是否按時(shí)到達(dá)目的地，是否安全卸貨。通過監(jiān)測(cè)到的信息，實(shí)時(shí)判定和分析運(yùn)輸過程是否安全順利，并將信息及時(shí)發(fā)送到相關(guān)人員的手持終端設(shè)備[6]。一旦發(fā)生問題或事故，指揮中心會(huì)及時(shí)展開補(bǔ)救。

另外，化工產(chǎn)品的倉儲(chǔ)安全與管理也可利用基于RFID技術(shù)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)倉庫的快速盤點(diǎn)和產(chǎn)品的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)由RFID讀寫器、電子標(biāo)簽和PC機(jī)組成[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，讀寫器由微控制器芯片、射頻芯片及天線組成，讀取RFID標(biāo)簽中的信息，并將其接入網(wǎng)絡(luò)，與其他設(shè)備通信。而倉庫的溫度和濕度等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)則需要傳感器的介入，同時(shí)配合視頻監(jiān)視系統(tǒng)，即可使倉儲(chǔ)安全問題得以很好的解決。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2　生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中，各種原料、成品的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、爆炸點(diǎn)等都對(duì)生產(chǎn)環(huán)境提出了不同的要求。有些具有毒性和腐蝕性的原料，溫度、濕度、各種氣體濃度等參數(shù)都需要嚴(yán)格控制，否則會(huì)影響到生產(chǎn)和工作人員的安全。

在化工企業(yè)中，雖然也安裝有測(cè)量溫濕度、氣體濃度、粉塵等環(huán)境參數(shù)的傳感器，但是大多需要人工巡檢、記錄，并定期通過紙質(zhì)文檔或電子文檔形式匯總上報(bào)。這樣不僅耗費(fèi)大量的人力，而且一旦發(fā)生危險(xiǎn)情況，無法及時(shí)上報(bào)，會(huì)對(duì)相關(guān)工作人員造成人身傷害。

針對(duì)危險(xiǎn)源、典型工藝的關(guān)鍵裝置和生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)等運(yùn)用無線傳感器或射頻識(shí)別等技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)，結(jié)合視頻顯示技術(shù)，對(duì)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，并對(duì)溫度、液位及泄漏氣體濃度設(shè)置多級(jí)閾值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限報(bào)警和分級(jí)報(bào)警功能，以及不同級(jí)別的裝置安全報(bào)警[8]。當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，設(shè)備就會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲、光或短信報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)觸發(fā)該報(bào)警點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的對(duì)應(yīng)視頻，對(duì)報(bào)警點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的視頻進(jìn)行自動(dòng)錄制和報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)參數(shù)報(bào)警和視頻報(bào)警聯(lián)動(dòng)，以便監(jiān)控中心人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)后果進(jìn)行評(píng)估，從而迅速作出應(yīng)急預(yù)案，將損失降到最低。

2.3　智能管理與決策

為提升化工企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制水平和信息化管理水平，需要建立一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的、智能的、高效的、一體化的集安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能于一體的綜合網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。利用RFID標(biāo)簽、傳感器、攝像頭等信息傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)車間的設(shè)備運(yùn)行狀況、原材料消耗量、溫濕度、粉塵、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)的采集，以及倉儲(chǔ)車間、化工園區(qū)內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)、視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地傳送到該管理平臺(tái)，在顯示屏上進(jìn)行顯示。有些數(shù)據(jù)還需利用云計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等進(jìn)行進(jìn)一步分析，以便及時(shí)作出決策或預(yù)警。比如：通過對(duì)原材料的日消耗量的統(tǒng)計(jì)，及時(shí)作出分析報(bào)表，對(duì)補(bǔ)給量、能耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估；進(jìn)一步地，可對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況以及是否需要維修等情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。重要的數(shù)據(jù)和報(bào)表還可及時(shí)地發(fā)送到管理人員的手持終端設(shè)備上，從而真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理的智能化。

3問題與對(duì)策

3.1　信息傳輸?shù)慕M網(wǎng)問題

由于化工企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，如何將各種傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組網(wǎng)，既能保證安全性，又能確?？煽啃?，是一個(gè)復(fù)雜的問題。

首先，在傳感器分布較為密集的區(qū)域，可選用短距離無線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如WiFi、ZigBee等[9]；其次，對(duì)于存放有可燃易爆氣體的區(qū)域，無線傳感器就會(huì)存在安全隱患，因此需改用有線傳感器傳輸，如以太網(wǎng)；再次，在傳感器分布較為稀疏的區(qū)域，考慮到通信效果和組網(wǎng)成本，這時(shí)選用無線移動(dòng)公網(wǎng)較為合適，如GSM/GPRS等。

另外，由于化工企業(yè)中存在大型的用電裝置以及像焊接等的高電壓工藝，都會(huì)輻射出較強(qiáng)的高頻電磁波，因此這種區(qū)域需選用抗干擾能力強(qiáng)的無線傳輸設(shè)備組網(wǎng)，或者用有線傳感器代替無線傳感器。

3.2　技術(shù)保密性問題

對(duì)于化工園區(qū)內(nèi)有多個(gè)化工企業(yè)的情況，其先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、工藝流程等企業(yè)機(jī)密的保密性也是一個(gè)不容忽視的問題。既要保證企業(yè)機(jī)密不泄露，同時(shí)保證物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控效果，這就需要企業(yè)內(nèi)部對(duì)生產(chǎn)機(jī)密環(huán)節(jié)另外設(shè)立內(nèi)部管理系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和過濾，然后再接入園區(qū)管理平臺(tái)。

3.3　射頻識(shí)別技術(shù)問題

射頻識(shí)別是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到流程重組、軟件、系統(tǒng)實(shí)施等問題。針對(duì)化工企業(yè)的識(shí)別對(duì)象以金屬和液體居多，射頻識(shí)別的識(shí)別率會(huì)下降，而且在標(biāo)簽和讀寫器性能上需進(jìn)一步完善[10]。

4結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在化工企業(yè)的應(yīng)用，使得企業(yè)生產(chǎn)安全性更高，企業(yè)管理更加省時(shí)省力，更加智能。此外，該技術(shù)可被借鑒為安保、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)等許多領(lǐng)域所用，具有廣闊的市場(chǎng)空間和發(fā)展前景，必將成為IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

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中圖分類號(hào)：TP273+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503016

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：J12LN39)。

修改稿收到日期：2014-08-21。

第一作者薛凌燕(1982-)，女，2007年畢業(yè)于山東大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的研究。